CN106264796B - 一种基于多轴联动控制和机器视觉测量的3d打印系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于多轴联动控制和机器视觉测量的3D打印系统,包括机架、用以放置人工骨支架的工作台、设置在工作台上方的打印装置、用以输送打印材料的物料输送装置、图像采集相机、用以调整打印装置方位的驱动机构以及控制系统，打印装置、物料输送装置、图像采集装置以及驱动机构均连接至控制系统，工作台为连接在所述机架上的六自由度并联平台，驱动机构为六轴机械臂，打印装置连接在六轴机械臂上。使用时，人工骨支架放置在六自由度并联平台上，通过六轴机械臂控制打印装置的位置，通过六自由度并联平台和六轴机械臂的配合，实现对打印装置的打印喷嘴空间位置的精确控制，实现复杂微细的人工骨表面及多孔结构内部表面的三维图案化打印。

Description

一种基于多轴联动控制和机器视觉测量的3D打印系统
技术领域
本发明涉及一种基于多轴联动控制和机器视觉测量的3D打印系统，属3D打印领域。
背景技术
随着生活水平的日益提高，人们对医疗保健更加关注。然而因为一些疾病、交通事故等导致人体骨骼严重损伤，因为受技术水平的限制，现阶段难以修复，许多病人因此失去生活自理能力，这给病人及其家庭都带来了严重的影响。当前针对骨骼缺损这一问题的主要方法是依靠自体的组织移植、异体组织移植、使用替代材料修复等。目前这些方法均存在较大弊端，如两次手术、取骨量限制、传播疾病、成骨活性低下等。自体骨是从患者身体的其他部位，获取一些骨骼，然后用到需要的部位，这种方式存在取骨量有限，并且无法获得满足需求的形状等问题。大块骨缺损修复一直是临床骨科难题，组织工程学的发展为骨缺损修复提供了新思路，人工骨有望取代传统自体或同种异体骨，避免患者二次创伤。
人工骨支架材料及制备也成为了研究热点。如CN 105287055 A，名称为“一种3D打印个体化体外骨”的中国发明专利申请中，公开了一种3D打印个体化体外骨，其步骤在于：(1)收集患者身体部位的三维扫描信息数据，分析其结构特点；(2)将患者身体部位的三维扫描数据导入计算机，精确还原得到患者扫描部位的三维图像；(3)分析解剖上述三维图像，获得扫描部位的反向数据，重建得到其三维模型；(4)将三维模型存储或转化为格式文件；(5)将上述得到的功能缺失部位三维模型通过计算机参考人体大数据设计出相应的体外骨辅助装置三维模型；(6)将设计好的体外骨模型在检测软件的进行比对检测，对设计方案、模型进行完善与优化；(7)将上述设计出的体外骨辅助装置和患者身体部位三维模型运用计算机进行辅助动态模拟；(8)将上述三维模型保存为格式文件以用于传输，存储，浏览，检查，修改和加工生产；(9)3D打印体外骨辅助转置，快速实现实物模型。
再如授权公告号CN 103948456 B，名称为“自动化控制的转盘式气动多喷头生物3D打印成形系统及方法”的中国发明专利中，公开了一种自动化控制的转盘式气动多喷头生物3D打印成形系统，包括喷射装置、三维运动机构、成形台以及控制系统，所述的喷射装置采用转盘式多喷头喷射装置，设置在三维运动机构中Z1轴运动机构上而随Z1轴运动滑块上下滑动；所述的成形台安装在三维运动机构中X轴运动滑块上；所述的控制及数据处理系统是联接控制转盘式多喷头喷射装置和三维运动机构的电机。所述转盘式多喷头喷射装置包括控制转盘电机、横梁、电机轴、连接管、转盘、螺母、注射器活塞筒体、注射器针头、轴套、槽型光电开关和槽型光电开关遮挡物；所述横梁固定安装在Z1轴运动滑块上；所述控制转盘电机通过螺丝固定安装在横梁上，电机轴朝下；所述轴套是一个外螺纹套筒，电机轴与轴套一端螺纹连接；所述转盘中间有一个通孔，内圈为内螺纹，转盘与轴套另一端连接，为内外螺纹连接方式；控制转盘电机运行带动电机轴旋转，同时带动转盘旋转运动，即带动注射器活塞筒体和注射器针头旋转；所述转盘上方表面安装4个连接管，连接管周向均匀分布在转盘上，连接管上连接气管，有气泵提供气体；所述转盘下方加工4个内螺纹孔，所述螺母上部分外表面加工成外螺纹，螺母的上表面加工达成菱形凸台，能够装进注射器活塞筒体，注射器活塞筒体注入材料溶液，并一起与转盘内外螺纹连接，连接之间通过密封圈密封，以防漏气；通过气泵提供气体将注射器活塞筒体中的材料溶液从注射器针头中挤出；所述槽型光电开关固连在横梁下方，槽型光电开关遮挡物固连在转盘上表面，控制转盘电机运行转动后带动转盘旋转，即槽型光电开关遮挡物旋转碰到槽型光电开关的信号，停止转盘运动，即注射器针头到达指定的位置。
目前在用于制备人工骨的3D打印方法中，主要有光固成型法、分层实体制造法、熔融沉积制造法、选择性激光烧结法、喷墨堆积增材成型法。光固成型法所用材料是光敏树脂等，植入体内后其生物相容性和降解性都不好，甚至引起毒副反应。分层实体制造法在制备人工骨时，需要先将羟基磷灰石等材料制成可以卷曲的薄层状，然后由热压机构将一层层薄片粘结在一起，从材料学角度看，这种方法难以实现。熔融沉积制造法使用的打印材料需要经过抽丝处理，要有一定的强度，因此材料受到很大的限制，另外不易加工复杂的形状。选择性激光烧结法使用的激光系统价格非常昂贵，维护费用较高，导致加工成本较高，未被烧结的羟基磷灰石粉末难以去除。而喷墨堆积增材成型法可以直接将生物相溶水性溶液与羟基磷灰石粉末粘结起来，避免了上述方法对打印条件、温度环境的苛刻要求。
目前的3D打印装置中，存在着喷头结构和喷头驱动机构较为复杂，打印精度较难控制，如授权公告号CN 103948456 B中的各喷头的末端处于同一平面，同时进行运动，在工作时喷头占用较大空间，不适合于多孔结构内部表面的3D打印。
鉴于此，本发明人对上述问题进行深入的研究，遂有本案产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简易、能够提高打印精度的基于多轴联动控制和机器视觉测量的3D打印系统。
为了达到上述目的，本发明采用这样的技术方案：
一种基于多轴联动控制和机器视觉测量的3D打印系统,包括机架、用以放置人工骨支架的工作台、设置在工作台上方的打印装置、用以输送打印材料的物料输送装置、图像采集相机、用以调整打印装置方位的驱动机构以及控制系统，打印装置、物料输送装置、图像采集装置以及驱动机构均连接至控制系统，所述工作台为连接在所述机架上的六自由度并联平台，所述驱动机构为六轴机械臂，所述打印装置连接在六轴机械臂上。
作为本发明的一种优选方式，所述打印装置包括安装架、电机、气缸、旋转法兰以及多个喷头机构，安装架连接在所述六轴机械臂上，电机设置在安装架上，旋转法兰连接在电机的输出轴上，多个喷头机构沿周向均匀地布设在旋转法兰上，多个喷头机构以可沿旋转法兰轴向移动的方式连接在安装架上，气缸设置在安装架上且气缸的活塞杆上设有用以驱动喷头机构移动的驱动端，在喷头机构与旋转法兰之间设有用以使喷头机构回位的复位机构。
作为本发明的一种优选方式，所述安装架包括防护罩、第一安装板以及第二安装板，第一安装板和第二安装板分设在防护罩沿轴向的两端，所述电机固定在第一安装板上，在第二安装板上设有供所述喷头机构伸出的工作孔，所述喷头机构的上端通过第一连杆铰接在所述旋转法兰上，所述复位机构为第一弹簧，第一弹簧的一端连接在旋转法兰上，另一端连接在所述喷头机构的上端，在第二安装板上还设有安装柱，还包括第二连杆和导向筒，第二连杆的一端铰接在安装柱上，另一端铰接在导向筒上，所述喷头机构可滑动地穿设在导向筒中。
作为本发明的一种优选方式，所述喷头机构包括筒体和设置在筒体的内腔的移动活塞，移动活塞将筒体的内腔分隔成第一腔室和第二腔室，在筒体上设有打印喷嘴，打印喷嘴与第二腔室连通，在筒体上设有进气口，进气口的一端与第一腔室连通，另一端与气源连通，还包括进料口，进料口的一端与第二腔室连通，另一端与所述物料输送装置连通。
作为本发明的一种优选方式，所述第二腔室内设有活塞挡块，活塞挡块设置在所述进料口的上方。
作为本发明的一种优选方式，所述喷头机构为5个，5个所述喷头机构的打印喷嘴的直径分别为120um、100um、80um、50um、30um。
作为本发明的一种优选方式，所述物料输送装置包括空压机和材料存储缸，空压机的出气端与材料存储缸的进气端连通，材料存储缸的出料端与所述进料口通过输料管连接，在所述输料管上设有电动阀门。
作为本发明的一种优选方式，所述机架包括底架、顶架以及设置在底架与顶架之间的第一侧架和第二侧架，所述六轴机械臂设置在顶架上，所述六自由度并联平台设置在底架上，所述六轴机械臂和所述六自由度并联平台均连接至所述控制系统。
作为本发明的一种优选方式，所述图像采集相机设置在第一侧架和/或第二侧架上。
采用本发明的技术方案，使用时，人工骨支架放置在六自由度并联平台上，通过六轴机械臂控制打印装置的位置，通过六自由度并联平台和六轴机械臂的配合，实现对打印装置的打印喷嘴空间位置的精确控制，实现复杂微细的人工骨表面及多孔结构内部表面的三维图案化打印，本发明具有结构简易、能够提高打印精度的优点。本发明采用基于喷墨堆积增材成型法的3D打印技术，以纳米羟基磷灰石溶液作为打印材料，利用机械臂的运动冗余来实现材料空间图案三维多角度打印，实现复杂微细的人工骨表面及多孔结构内部表面的三维图案化高精度打印，通过六轴机械臂及六自由度并联平台的精密机械运动控制及液滴成形及扩散控制，使系统的打印精度达到打印平面分辨率≤200μm，层间分辨率≤2μm。
附图说明
图1本发明的结构示意图；
图2为本发明的控制原理图；
图3为本发明中打印装置的结构示意图；
图4为本发明中打印装置的结构示意图(图中第一安装板和防护罩未示出)；
图5为图4中A处的放大图；
图6为本发明中打印喷嘴的结构示意图；
图中：
10-机架 11-顶架
12-底架 13-第一侧架
14-第二侧架 20-六轴机械臂
30-六自由度并联平台 40-打印装置
401-防护罩 402-第二安装板
403-电机 404-气缸
405-喷头机构 406-第一连杆
407-第一弹簧 408-安装柱
409-第二连杆 410-导向筒
411-旋转法兰 412-卡槽
413-卡持部 414-工作孔
415-第一安装板 4050-筒体
4051-第一腔室 4052-第二腔室
4053-移动活塞 4054-密封圈
4055-锥形引导部 4056-活塞挡块
4057-打印喷嘴 4058-进气口
4059-进料口 4060-电动阀门
50-图形采集相机 60-空压机
61-材料存储缸 62-输气管
63-输料管 70-控制系统
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面结合附图进行详细阐述。
参照图1至图6，一种基于多轴联动控制和机器视觉测量的3D打印系统,包括机架10、用以放置人工骨支架的工作台、设置在工作台上方的打印装置40、用以输送打印材料的物料输送装置、图像采集相机50、用以调整打印装置40方位的驱动机构以及控制系统70，打印装置40、物料输送装置、图像采集装置50以及驱动机构均连接至控制系统70，通过控制系统70控制各装置协调工作。所述工作台为连接在所述机架10上的六自由度并联平台30，所述驱动机构为六轴机械臂20，所述打印装置40连接在六轴机械臂20上。控制系统70可以采用授权公告号CN 103948456 B，名称为“自动化控制的转盘式气动多喷头生物3D打印成形系统及方法”中的控制及数据处理系统，该控制系统70包括计算机和控制器。六轴机械臂20为六轴机械手，能够完成空间任意角度的送料，可以直接从市面上购买，六自由度并联平台20可以对空间位姿进行六个自由度的调整，其可以采用授权公告号CN 104002299 B，名称为“六自由度并联微平台”中的结构，具体结构这里不再详述。
一种3D打印装置40,包括安装架、电机403、气缸404、旋转法兰411以及多个喷头机构405，安装架连接在所述六轴机械臂20上，电机403设置在安装架上，旋转法兰411连接在电机403的输出轴上，多个喷头机构405沿周向均匀地布设在旋转法兰411上，多个喷头机构405以可沿旋转法兰411轴向移动的方式连接在安装架上，气缸404设置在安装架上且气缸404的活塞杆上设有用以驱动喷头机构405移动的驱动端，在喷头机构405与旋转法兰411之间设有用以使喷头机构405回位的复位机构。在实施例中，电机403的输出轴、气缸404以及喷头机构405三者平行设置。采用这种结构，通过电机403带动旋转法兰411转动，并使得某一喷头机构405转动至预定的位置，之后通过气缸404带动喷头机构405沿轴向移动，使得某一喷头机构405伸出，进行3D打印作业，该喷头机构405作业完毕会后，通过气缸404和复位机构使得该喷头机构回位，之后通过电机403带动旋转法兰411转动，使得另一喷头机构405转动至与气缸404对应的位置，通过气缸404驱动该喷头机构405伸出，如此本发明在进行3D打印作业时，处于作业状态的喷头机构405与其它喷头机构405不处于同一平面，能够避免其它喷头机构405对人工骨支架的干扰。
作为本发明的一种优选方式，所述安装架包括防护罩401、第一安装板415以及第二安装板402，防护罩401呈筒状，第一安装板415和第二安装板402分别固定在防护罩401沿轴向的两端，所述电机403固定在第一安装板415上，电机403的输出轴穿过第一安装板415并伸入到防护罩401内。在第二安装板402上设有供所述喷头机构405伸出的工作孔414，当某一喷头机构405转动至对应该工作孔414处，通过气缸404带动该喷头机构405从该工作孔414伸出进行打印作业。所述喷头机构405的上端通过第一连杆406铰接在所述旋转法兰411上，所述复位机构为第一弹簧407，第一弹簧407的一端连接在旋转法兰411上，另一端连接在所述喷头机构405的上端，在第二安装板402上还设有安装柱408，还包括第二连杆409和导向筒410，第二连杆409的一端铰接在安装柱408上，另一端铰接在导向筒410上，所述喷头机构405可滑动地穿设在导向筒410中。优选地，在气缸404的活塞杆上设有卡槽412，在所述第一连杆406上对应设有与卡槽412配合的卡持部413，气缸404的活塞杆伸出至一定位置时，该卡槽412卡靠在卡持部413上并带动相应的喷头机构405沿着导向筒410轴向移动，当卡槽412离开卡持部413，喷头机构405则在第一弹簧407作用沿着导向筒410移动，实现喷头机构405的回位。
一种3D打印装置的喷头机构405，包括筒体4050和设置在筒体4050的内腔的移动活塞4053，移动活塞4053将筒体4050的内腔分隔成第一腔室4051和第二腔室4052，在筒体4050上设有打印喷嘴4057，打印喷嘴4057与第二腔室4052连通，在筒体4050上设有进气口4058，进气口4058的一端与第一腔室4051连通，另一端与气源连通，还包括进料口4059，进料口4059的一端与第二腔室4052连通，另一端与所述物料输送装置连通。本发明采用喷墨堆积增材成型法，打印材料主要为纳米羟基磷灰石，加入胶原、甲壳素等辅料配置打印材料，打印材料从进料口4059送入第二腔室4052中。通过气源推动移动活塞4053，移动活塞4053将打印材料从打印喷嘴4057中压出，气源由下面将要介绍到的空压机60提供。移动活塞4053的回位则依靠进料口4059的补料实现。
作为本发明的一种优选方式，所述第二腔室4052内设有活塞挡块4053，活塞挡块4053设置在所述进料口4059的上方。优选地，所述筒体4050的下端形成锥形引导部4055，所述打印喷嘴4057设置在锥形引导部4055上，所述进料口4059设置在活塞挡块4053与所述打印喷嘴4057之间。优选地，所述移动活塞4053与所述筒体4040的接触面设有环形凹槽，环形凹槽中设有密封圈4054。
作为本发明的一种优选方式，所述喷头机构405为5个，5个所述喷头机构405的打印喷嘴4057的直径分别为120um、100um、80um、50um、30um。打印喷嘴4057的直径大小影响打印的精度及打印的速度，可以根据打印的要求选择不同打印喷嘴直径的打印喷嘴4057，本发明通过电机403、旋转法兰411以及气缸404来实现打印喷嘴4057的切换，具有打印喷嘴4057切换方便，能够提高打印效率的效果
作为本发明的一种优选方式，所述物料输送装置包括空压机60和材料存储缸61，空压机60的出气端与材料存储缸61的进气端通过输气管62连通，材料存储缸61的出料端与所述进料口4059通过输料管63连接，在所述输料管63上设有电动阀门4060。采用这种结构，通过气压将材料存储缸61内的打印材料输送至喷头机构405中。
作为本发明的一种优选方式，所述机架10包括底架12、顶架11以及设置在底架12与顶架11之间的第一侧架13和第二侧架14，所述六轴机械臂20设置在顶架11上，所述六自由度并联平台30设置在底架上，所述六轴机械臂20和所述六自由度并联平台30均连接至所述控制系统70。作为在实施例中，第一侧架13和第二侧架14上均设有图像采集装置50。
采用本发明的技术方案，通过空压机60控制打印材料从打印喷嘴4057中喷出，实现3D打印，打印时，空压机60产生高压，由输气管62输送到喷头机构405的进气口4058，密封圈4054防止空气进入打印材料，同时与进料口4059相连的电动阀门4060处于关闭状态，防止打印材料由进料口4059排出，由高压气体驱动移动活塞4053向下运动，使打印材料从打印喷嘴4057中连续稳定喷出，达到3D打印的目的。当移动活塞4053运动至活塞挡块4056处时，移动活塞4053停止运动，同时由控制系统70控制空压机60停止向喷头机构405送气，控制系统70控制与进料口4059相连的电动阀门4060打开，并控制空压机60往材料存储缸61送气，驱动打印材料通过输料管63进入喷头机构405，移动活塞4053向进气口4058方向运动，当打印材料充满喷头机构405时，关闭电动阀门4060，喷头机构405继续打印工作。打印过程中，通过控制气压的大小控制打印材料的喷射速度，达到控制精度的目的。
本发明在3D打印前计算机输出需要高精度打印的模型，模型为STL格式文件，进行打印路径规划后，采用多轴联动控制系统70控制六轴机械臂20和六自由度并联平台30协同运动，实现复杂微细的人工骨表面及多孔结构内部表面的三维图案化打印。通过计算机建立六轴机械臂20和六自由度并联平台30的运动学模型，对运动轨迹进行优化，通过多轴联动控制系统70完成六轴机械臂20和六自由度并联平台30协同运动，并根据六轴机械臂20的整体的运行速度，达到打印液滴的成形及扩散控制，并控制六自由度并联平台30协同完成复杂表面的3D打印。多轴联动的控制方式可以实现人工骨表面及多孔结构内部表面的三维图案化的高精度打印，并提高打印的效率。更进一步地，由于六轴机械臂20和六自由度并联平台30在运动过程中存在振动，产生误差影响打印精度，本专利在运动过程中加入振动抑制控制，分别建立六轴机械臂20和六自由度并联平台30的动力学模型，采用基于线性二次型最优控制的方法，设计六轴机械臂20和六自由度并联平台30的线性二次控制模型，对系统运行过程中产生的振动进行控制，减小六轴机械臂20和六自由度并联平台30在运动过程中产生的振动，从而减小因振动产生的打印误差，保证打印的平稳进行，提高打印的精度。本发明在第一侧架13和第二侧架14上均安装两个高精度的图像采集相机50，采用双目立体视觉的测量方法对打印喷嘴4057末端的实时位置进行测量，得到打印喷嘴4057末端的空间位置，将测量所得的打印喷嘴4057末端实时位置对比其理论位置，进行打印喷嘴4057末端位置的实时反馈控制。两个高精度的图像采集相机50从不同的位置获取打印喷嘴4057末端位置的两幅图像，通过计算两幅图像中打印喷嘴4057末端点的位置偏差，获取打印喷嘴4057末端的空间位置。高精度的图像采集相机50获取的打印喷嘴4057末端的空间位置精度达到μm级，根据测量的打印喷嘴4057末端实时位置对打印喷嘴4057末端位置进行实时反馈控制，并通过计算机调整六轴机械臂20的运动，保证高精度的打印。
本发明对3D打印系统、3D打印装置以及3D打印装置的喷头机构均作出了改进，本发明的产品形式并非限于本案图示和实施例，任何人对其进行类似思路的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (7)

1.一种基于多轴联动控制和机器视觉测量的3D打印系统,包括机架、用以放置人工骨支架的工作台、设置在工作台上方的打印装置、用以输送打印材料的物料输送装置、图像采集相机、用以调整打印装置方位的驱动机构以及控制系统，打印装置、物料输送装置、图像采集装置以及驱动机构均连接至控制系统，其特征在于：所述工作台为连接在所述机架上的六自由度并联平台，所述驱动机构为六轴机械臂，所述打印装置连接在六轴机械臂上，所述打印装置包括安装架、电机、气缸、旋转法兰以及多个喷头机构，安装架连接在所述六轴机械臂上，电机设置在安装架上，旋转法兰连接在电机的输出轴上，多个喷头机构沿周向均匀地布设在旋转法兰上，多个喷头机构以可沿旋转法兰轴向移动的方式连接在安装架上，气缸设置在安装架上且气缸的活塞杆上设有用以驱动喷头机构移动的驱动端，在喷头机构与旋转法兰之间设有用以使喷头机构回位的复位机构，所述安装架包括防护罩、第一安装板以及第二安装板，第一安装板和第二安装板分设在防护罩沿轴向的两端，所述电机固定在第一安装板上，在第二安装板上设有供所述喷头机构伸出的工作孔，所述喷头机构的上端通过第一连杆铰接在所述旋转法兰上，所述复位机构为第一弹簧，第一弹簧的一端连接在旋转法兰上，另一端连接在所述喷头机构的上端，在第二安装板上还设有安装柱，还包括第二连杆和导向筒，第二连杆的一端铰接在安装柱上，另一端铰接在导向筒上，所述喷头机构可滑动地穿设在导向筒中。
2.如权利要求1所述的一种基于多轴联动控制和机器视觉测量的3D打印系统,其特征在于：所述喷头机构包括筒体和设置在筒体的内腔的移动活塞，移动活塞将筒体的内腔分隔成第一腔室和第二腔室，在筒体上设有打印喷嘴，打印喷嘴与第二腔室连通，在筒体上设有进气口，进气口的一端与第一腔室连通，另一端与气源连通，还包括进料口，进料口的一端与第二腔室连通，另一端与所述物料输送装置连通。
3.如权利要求2所述的一种基于多轴联动控制和机器视觉测量的3D打印系统,其特征在于：所述第二腔室内设有活塞挡块，活塞挡块设置在所述进料口的上方。
4.如权利要求3所述的一种基于多轴联动控制和机器视觉测量的3D打印系统,其特征在于：所述喷头机构为5个，5个所述喷头机构的打印喷嘴的直径分别为120um、100um、80um、50um、30um。
5.如权利要求4所述的一种基于多轴联动控制和机器视觉测量的3D打印系统,其特征在于：所述物料输送装置包括空压机和材料存储缸，空压机的出气端与材料存储缸的进气端连通，材料存储缸的出料端与所述进料口通过输料管连接，在所述输料管上设有电动阀门。
6.如权利要求1所述的一种基于多轴联动控制和机器视觉测量的3D打印系统,其特征在于：所述机架包括底架、顶架以及设置在底架与顶架之间的第一侧架和第二侧架，所述六轴机械臂设置在顶架上，所述六自由度并联平台设置在底架上，所述六轴机械臂和所述六自由度并联平台均连接至所述控制系统。
7.如权利要求6所述的一种基于多轴联动控制和机器视觉测量的3D打印系统,其特征在于：所述图像采集相机设置在第一侧架和/或第二侧架上。
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